Atmungskette: Prinzip und Komponenten

Prosthetische Gruppen, Coenzyme, Ubichinon, Cytochrome

Die Flavonucleotide FAD (Flavinadenindinucleotid) und FMN (Flavinmononucleotid) (beide siehe Bild) sind die prosthetischen Gruppen von Enzymen, die man als Flavoproteine bezeichnet, und Bestandteile der Atmungskette. Für die Übertragung von Elektronen und Protonen sind 2 Stickstoffatome im Isoalloxazinring wichtig, der als reversibles Redoxsystem wirkt. Mehr zur Übertragung von Wasserstoffatomen durch diese beiden Moleküle findest du hier.

Eisen-Schwefel-Cluster oder Eisen-Schwefel-Zentren sind Redoxsysteme, die ausschließlich Elektronen übertragen. Über die in ihnen enthaltenen Eisenatome sind sie mit dem Schwefelatom verschiedener Cysteinreste eines Proteins verbunden. Die Eisenatome können jedoch zusätzlich anorganischen Sulfidschwefel binden, der Teil des Clusters ist. Die Cluster können als prosthetische Gruppen des Proteins betrachtet werden und kommen in unterschiedlichen Varianten vor. Je nach Anzahl von Eisen- und Schwefelatomen gibt es z.B. [1Fe-0S]-Cluster, die ein Eisen- und kein Schwefelatom besitzen (die Schwefelatome der Cysteinreste zählen nicht zum Cluster). Andere Varianten sind die [2Fe-2S]-, die [3Fe-4S]- oder die [4Fe-4S]-Cluster. Herausragendes Merkmal dieser Cluster ist, dass sie durch die 2 möglichen Oxidationsstufen von Eisen, Fe²⁺ und Fe³⁺, Elektronen aufnehmen bzw. wieder abgeben können.

Ubichinon und seine reduzierten Formen sind Chinonderivate der Atmungskette und liegen in relativ hoher Konzentration in der inneren Mitochondrienmembran vor. Sie dienen als zentrale Sammelstelle für Elektronen, die von unterschiedlichen Coenzymen und prosthetischen Gruppen auf die Atmungskette übertragen werden. Folgende Komponenten, die unten ausführlicher besprochen werden, reichen Elektronen an Ubichinon weiter:

• Komplex I der Atmungskette

• Komplex II der Atmungskette

• ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase: ETF steht für elektronenübertragendes Flavoprotein (s.u.)

• Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase: die mitochondriale Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase ist Teil des Glycerin-3-phosphat-Shuttles

Ubichinon ist aufgebaut aus:

• einer Benzochinongruppe

• einer Seitenkette aus 10 C₅-Isopreneinheiten, die für die hydrophoben Eigenschaften des Moleküls verantwortlich ist

Strukturell hat das Molekül Ähnlichkeit mit den fettlöslichen Vitaminen E (siehe Bild) und K (siehe Bild). Wegen des lipophilen Restes kann sich Ubichinon frei in der inneren Mitochondrienmembran bewegen, diese aber nicht verlassen.

Chinone können in 3 Oxidationszuständen vorliegen: Das vollständig oxidierte Ubichinon (Q) wird durch Übertragung eines Elektrons (und eines Protons) auf die Benzochinongruppe einfach reduziert und es entsteht die radikalische Zwischenstufe Semichinon, das mit einem weiteren Elektron (und einem Proton) zu Ubichinol (QH₂) reduziert wird. Beide Reduktionen sind reversibel. In der inneren Mitochondrienmembran existiert ein Gemisch aus Ubichinon und Ubichinol – der Ubichinon- oder Q-Pool.

Ubichinon kann Wasserstoff und/oder Elektronen übertragen. Es leitet damit zum einen Elektronen an Komplex III weiter, zum anderen transportiert Ubichinon zusammen mit Komplex III Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum (s.u.).

Cytochrome sind Redoxsysteme, die Elektronen, aber keine Protonen transportieren. Diese Elektronen stammen aus dem Q-Pool. Da Cytochrome den Wasserstoff des Ubichinols nicht aufnehmen, werden die Protonen aus dem Q-Pool an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran freigesetzt.

Cytochrome sind Proteine, die eine Hämgruppe als prosthetische Gruppe besitzen. Aufgebaut ist die Hämgruppe aus einem Porphyrin, das aus 4 Pyrrolringen mit unterschiedlichen Seitenketten besteht. Beim Uroporphyrinogen III, einem Zwischenprodukt der Hämsynthese, sind diese Seitenketten 4 Acetyl- und 4 Propionylgruppen, die im Verlauf der Synthese durch andere Gruppen ersetzt werden. Über die 4 Stickstoffatome in der Mitte des Ringsystems ist 1 Eisenion komplex gebunden, das zwischen der dreiwertigen (Fe³⁺) und zweiwertigen (Fe²⁺) Form wechseln, also Elektronen aufnehmen und wieder abgeben kann. Dadurch können Cytochrome am Elektronentransport der Atmungskette teilnehmen. Sie transportieren jedoch immer nur 1 Elektron. Teilweise sind die Hämgruppen auch prosthetische Gruppen der Atmungskettenkomplexe und liegen dann nicht an Cytochrom gebunden vor.

Es gibt eine Reihe von Cytochromen, die zwar alle farbig sind, sich aber u.a. in ihren Absorptionsspektren und Redoxpotenzialen unterscheiden. Die reduzierten Hämgruppen weisen 3 Absorptionsmaxima (α, β und γ) auf, wobei der α-Peak jeweils charakteristisch für eine Gruppe von Cytochromen ist. Aufgrund der verschiedenen α-Peaks unterscheidet man die Cytochrome a, b und c bzw. Häme a, b und c.

Vermittelt werden die verschiedenen physikalisch-chemischen Eigenschaften von den verschiedenen Substituenten an den Pyrrolringen:

• Cytochrome vom a-Typ besitzen 1 Porphyrinring mit 1 hydrophoben Isoprenrest

• Cytochrome vom b-Typ enthalten 1 Hämgruppe, welcher der des Hämoglobins entspricht

• Cytochrome vom c-Typ sind über 2 Cysteinreste an ein Protein gebunden

Die Hämgruppe ist auch die prosthetische Gruppe von Hämoglobin, den Cytochromoxidasen (den Endoxidasen der Atmungskette), Peroxidasen, Cytochrom-P₄₅₀-Monooxygenasen und Katalasen. Während bei diesen sauerstofftransportierenden Hämenzymen eine Bindungsstelle des Hämeisens frei ist, sodass Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoff oder andere Hemmstoffe wie Cyanid (CN^–) oder Azid (N₃^–) binden können, sind bei den elektronentransportierenden Cytochromen und Hämen alle 6 Bindungsstellen des Hämeisens von Liganden besetzt.

Komplex I: NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase

Die NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase wird auch als NADH-Dehydrogenase bezeichnet.

Bei dem Komplex handelt es sich um einen großen, L-förmig aufgebauten Proteinkomplex, dessen kleinerer, hydrophiler Abschnitt in die Matrix ragt und der Aufnahme von Elektronen dient. Der größere, hydrophobe Abschnitt ist in die innere Mitochondrienmembran eingebettet.

Komplex I der Atmungskette nimmt Elektronen von NADH auf und überträgt sie auf Ubichinon (Coenzym Q). Das geschieht über 2 Schritte. Komplex I enthält als prosthetische Gruppe Flavinmononucleotid (FMN). Im ersten Schritt überträgt NADH + H⁺ seine beiden Elektronen auf FMN. Das dabei gebildete FMNH₂ gibt diese Elektronen dann an eine Reihe von 8 Eisen-Schwefel-Cluster weiter. Die Elektronen wandern von einem Zentrum zum nächsten, während deren Eisenionen zwischen der oxidierten und reduzierten Form wechseln. Das letzte Eisen-Schwefel-Cluster überträgt die Elektronen auf Ubichinon, das dadurch zu Ubichinol (QH₂) reduziert wird. Die Energie, die bei diesem Prozess frei wird, treibt 4 Protonen von der Matrix in den Intermembranraum.

Komplex II: Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase

Die Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase wird auch als Succinatdehydrogenase bezeichnet.

Dieser Komplex ist wesentlich kleiner als Komplex I, besitzt aber ebenfalls einen hydrophilen Abschnitt, der in die Matrix ragt, und einen hydrophoben Anteil, der in die Membran eingebettet ist.

Komplex II der Atmungskette ist gleichzeitig ein Enzym des Citratzyklus – die Succinatdehydrogenase, das einzige membrangebundende Enzym des Zyklus. Die Aufgabe von Komplex II besteht darin, Elektronen von Succinat auf Ubichinon zu übertragen. Die Elektronen werden zunächst von FAD aufgenommen, das zu FADH₂ reduziert wird. Dieses gibt die Elektronen über 3 Eisen-Schwefel-Cluster an Häm b im hydrophoben Teil des Komplexes weiter, das sie auf Ubichinon überträgt. Dieses wird zu Ubichinol (QH₂) reduziert.

FAD liegt hauptsächlich als prosthetische Gruppe fest an Enzyme gebunden vor. Die Energie der Elektronen, die vom FADH₂ bereitgestellt werden, ist wesentlich geringer als die Energie der Elektronen von NADH (das Redoxpotenzial von NADH/NAD⁺ liegt bei –0,32 V, das von FADH₂/FAD bei –0,22 V). Sie reicht nicht aus, um Komplex I zu reduzieren, sodass die Elektronen über Komplex II und Ubichinon an die Atmungskette abgegeben werden. Der protonentransportierende Komplex I wird ausgelassen. Das ist auch der Grund dafür, dass FADH₂ in der Atmungskette nur ca. 1,5 ATP liefert, während die Ausbeute von NADH + H⁺ bei ca. 2,5 ATP liegt.

Neben der Übertragung von Elektronen aus Komplex I und Komplex II gibt es noch weitere Möglichkeiten, Ubichinol zu bilden.

ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase: Die ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase (gelegentlich auch als ETF-Ubichinon-Reduktase bezeichnet) ist ein Enzymkomplex in der inneren Mitochondrienmembran, der ein fest gebundenes FAD enthält. Dieses FAD nimmt Elektronen auf, die vom elektronentransportierenden Flavoprotein (ETF) angeliefert werden. Dabei handelt es sich um ein lösliches Protein, das in der mitochondrialen Matrix lokalisiert ist und Elektronen aus unterschiedlichen Stoffwechselprozessen einsammelt. Unter den Enzymen, die Elektronen an ETF liefern, ist beispielsweise die Acyl-CoA-Dehydrogenase, die den ersten Schritt der β-Oxidation von Fettsäuren katalysiert, aber auch andere FAD-abhängige Dehydrogenasen. Das durch die ETF-vermittelte Reduktion entstehende und an die Oxidoreduktase gebundene FADH₂ kann seine Elektronen ebenfalls an Ubichinon weiterleiten, das dadurch zu Ubichinol reduziert wird.

Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase: Die mitochondriale Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase ist Teil des Glycerin-3-phosphat-Shuttles (siehe Bild), über den die Elektronen des zytosolischen NADH, das in der Glykolyse entstanden ist, in die Atmungskette eingeschleust werden. Mit NADH als Reduktionsmittel wird zunächst aus Dihydroxyacetonphosphat Glycerin-3-phosphat gebildet, das die Elektronen an die mitochondriale Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase abgibt. Diese überträgt sie über FAD auf Ubichinon.

Komplex III: Ubichinol:Cytochrom-c-Oxidoreduktase

Die Ubichinol:Cytochrom-c-Oxidoreduktase wird auch als Cytochrom-bc₁-Komplex oder Cytochromreduktase bezeichnet.

Der Komplex besteht aus 11 Untereinheiten, zu ihnen zählen u.a.:

• Cytochrom b: 2 gebundene Hämgruppen, bezeichnet mit b_L für geringe und b_H für hohe Elektronenaffinität

• Cytochrom c₁: 1 gebundene Hämgruppe

• Rieske-Eisen-Schwefel-Protein: Protein mit gebundenem Eisen-Schwefel-Cluster vom [2Fe-2S]-Typ; das Eisenion ist mit Histidin- statt mit Cysteinresten koordiniert

Die Hämgruppen von Cyt b, c₁ und c (s.u.) sind identisch mit denen des Hämoglobins. Die unterschiedliche Elektronenaffinität geht auf die unterschiedliche Umgebung im Polypeptid zurück. Cytochrom c und Cytochrom c₁ sind die beiden einzigen Cytochrome der Atmungskette, deren Hämgruppen kovalent mit dem Polypeptid verbunden ist.

Die Aufgabe von Komplex III besteht darin, die Elektronen unter Beteiligung von Cytochrom b (mit Häm b_L und Häm b_H) sowie Cytochrom c₁ und eines Eisen-Schwefel-Clusters über den Q-Zyklus (s.u.) von Ubichinol auf das oxidierte Cytochrom c zu übertragen. Wie Komplex I ist auch Komplex III eine Protonenpumpe. Bei der Übertragung eines Elektronenpaars auf 2 Moleküle Cytochrom c werden insgesamt 4 Protonen in den Intermembranraum befördert.

Cytochrom c ist ein wasserlösliches Protein und befindet sich im Intermembranraum, wo es locker an die Außenseite der inneren Mitochondrienmembran gebunden ist. Es übernimmt wie Ubichinon den Elektronentransport zwischen Komplexen. Ein reduziertes Cytochrom-c-Molekül transportiert 1 Elektron von Komplex III zu Komplex IV (s.u.).

Der Q-Zyklus findet in Komplex III statt. Er vermittelt den Übergang zwischen dem Zwei-Elektronen-Transport durch Ubichinol und dem Ein-Elektronen-Transport durch Cytochrom c und koppelt den Elektronentransport zudem an einen Protonentransport. Zwei Moleküle Ubichinol aus dem Q-Pool, dem Sammelbecken für Chinonderivate in der Mitochondrienmembran, binden nacheinander an den Komplex und jedes Molekül gibt 2 Elektronen und 2 Protonen ab. Die Protonen werden in den Intermembranraum bzw. ins Zytosol freigesetzt.

Der Q-Zyklus verläuft in 2 Teilen:

Im ersten Teil des Zyklus bindet das erste Ubichinol an Komplex III. Die beiden Elektronen des ersten Ubichinols wandern im Komplex zu unterschiedlichen Zielorten: Das erste Elektron fließt über das Rieske-Eisen-Schwefel-Protein und Cytochrom c₁ zu Cytochrom c, welches reduziert wird und sich vom Komplex löst. Das zweite Elektron wird über die beiden Hämgruppen von Cytochrom b auf ein Ubichinonmolekül übertragen, das an einer anderen Stelle im Komplex gebunden ist, und dadurch zum Semichinonradikalanion reduziert wird. Das zuerst gebundene (ehemalige) Ubichinol ist nun vollständig oxidiert und wird als Ubichinon zurück in den Q-Pool abgegeben.

Nun bindet im zweiten Teil des Zyklus ein weiteres Ubichinol aus dem Q-Pool an den Komplex und reagiert wie das erste Molekül. Das erste Elektron wird also auf oxidiertes Cytochrom c übertragen. Das zweite Elektron gelangt über die beiden Hämgruppen zum Semichinonradikalanion und reduziert dieses vollständig. Das entstandene Anion (Q^2-) nimmt 2 Protonen von der Matrixseite auf und wird dadurch zum Ubichinol, welches wieder in den Q-Pool eintritt. Das zweite (ehemalige) Ubichinol ist nun ebenfalls vollständig zum Ubichinon oxidiert und wird wiederum in den Q-Pool abgegeben.

Die Reaktionsgleichung lautet:

2 QH₂ + Q + 2 Cyt c_ox + 2 H⁺_Matrix → 2 Q + QH₂ + 2 Cyt c_red + 4 H⁺_Zytosol

Komplex IV: Cytochrom-c:O₂-Oxidoreduktase

Die Cytochrom-c:O₂-Oxidoreduktase wird meist als Cytochrom-c-Oxidase bezeichnet.

Der Komplex besteht aus 13 Polypeptiden und außerdem aus:

• einem Cu_A- (2 Kupferionen) und einem Cu_B-Zentrum (1 Kupferion); die Kupferionen wechseln zwischen Cu⁺ und Cu²⁺ hin und her

• einem Häm a

• einem Häm a₃

Komplex IV enthält im Gegensatz zu den Komplexen I–III keine Eisen-Schwefel-Cluster.

Komplex IV überträgt nacheinander insgesamt 2 Elektronen von 2 Cytochrom-c-Molekülen auf 1 Sauerstoffatom, das als Endelektronenakzeptor der Atmungskette dient (tatsächlich liegt 1 Sauerstoffmolekül vor, für dessen Reduktion 4 Elektronen nötig sind, s.u.), sodass nach Aufnahme von 2 Protonen 1 Wassermolekül entsteht. Auch in diesem Komplex erfolgt die Elektronenübertragung nicht direkt. Cytochrom c gibt jeweils 1 Elektron an 1 Kupferion des Cu_A-Zentrums ab. Von dort gelangt das Elektron über Häm a, Häm a₃ und das Cu_B-Zentrum zum Sauerstoffatom. Die zur Bildung eines Wassermoleküls (des „Oxidationswassers“) notwendigen 2 Protonen werden aus der Matrix aufgenommen:

½ O₂^2– + 2 H⁺ → H₂O

Außerdem werden für jedes reduzierte Sauerstoffatom 2 Protonen in den Intermembranraum gepumpt.

Für die Reduktion von molekularem Sauerstoff müssen die Angaben verdoppelt werden, da 4 Elektronen notwendig sind. Die vollständige Reaktionsgleichung für die Vorgänge am Komplex IV lautet:

4 Cyt c_red + 8 H⁺_Matrix + O₂ → 4 Cyt c_ox + 2 H₂O + 4 H⁺_Zytosol

Sauerstoff ist aufgrund seiner hohen Elektronenaffinität als Endelektronenakzeptor hervorragend geeignet, doch besteht die Gefahr, dass z.B. durch unvollständige Reduktion reaktive Sauerstoffspezies (ROS) entstehen. Dazu zählen z.B. das Superoxidanionradikal (O₂^–•) oder auch das Peroxidanion (O₂^2–). Obwohl der Komplex den Sauerstoff fest bindet, werden doch geringe Mengen an ROS erzeugt, die die Zellstrukturen schädigen können. Enzyme wie die Superoxiddismutase und die Katalase fangen die ROS jedoch weitestgehend ab und wandeln sie in Sauerstoff und Wasser um. Mehr zu den ROS, die auch in Erythrozyten vorkommen, findest du hier.

Komplex V: ATP-Synthase

Die ATP-Synthase wird auch als F₁F_o-ATP-Synthase oder F₁F_o-ATPase bezeichnet.

Komplex I, III und IV sorgen für den Aufbau eines Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran. Die Aufgabe der ATP-Synthase ist, im Rahmen der oxidativen Phosphorylierung ADP und anorganisches Phosphat (P_i) in ATP und H₂O umzuwandeln und dabei die protonenmotorische Kraft des Protonengradienten (s.o.) über der inneren Mitochondrienmembran zu nutzen.

Die ATP-Synthase ist ein großer Enzymkomplex aus 2 Untereinheiten, dem F_o- und dem F₁-Teil:

• Der F_o-Teil besteht bei Wirbeltieren aus einem Ring aus 8 c-Untereinheiten (in Hefe sind es 10 Untereinheiten) und ist in die innere Mitochondrienmembran eingebettet (der Buchstabe o von F_o geht auf die Oligomycinsensitivität der Untereinheit zurück). Dieser c-Ring ist mit dem zentralen γ-Stiel (s.u.) verbunden, der eine innere Verbindung zum F₁-Teil herstellt. c-Ring und γ-Stiel bilden den Rotor. An der Außenseite des Ringes ist eine a-Untereinheit gebunden. Auf diese sind wiederum 2 lange b-Untereinheiten aufgelagert, die über die δ-Untereinheit eine äußere Verbindung zum F₁-Teil herstellen (sie bilden den Stator).

• Der F₁-Teil ist kugelförmig gebaut und ragt in die mitochondriale Matrix. Er vermittelt die eigentliche katalytische Funktion. Er besteht aus 5 Typen von Polypeptiden (3 α, 3 β, γ, δ und ε), von denen α und β abwechselnd einen hexameren Ring bilden (α₃β₃). Innerhalb dieses Rings befinden sich die 3 katalytisch aktiven Zentren der ATP-Synthase. In der Mitte des Ringes befindet sich der zentrale Stiel aus der γ-Untereinheit, der seitlich ε aufgelagert ist. δ befindet sich seitlich relativ weit oben am Hexamer und stellt über die 2 b-Untereinheiten eine äußere Verbindung zu F_o her.

Je eine α- und eine β-Untereinheit bilden ein katalytisches Zentrum (tatsächlich katalytisch aktiv ist die β-Untereinheit). Die ATP-Synthase besitzt demnach 3 katalytische Zentren. Jedes übernimmt davon zu einem bestimmten Zeitpunkt eine der 3 folgenden Funktionen, die für die ATP-Synthese notwendig sind:

• die Bindung von ADP und P_i

• die ATP-Synthese

• die Freisetzung von ATP

Protonen strömen, getrieben von der protonenmotorischen Kraft, im F_o-Teil über die a-Untereinheit in die Untereinheiten des c-Rings und gelangen so aus dem Intermembranraum in die mitochondriale Matrix. Dadurch beginnt der Rotor aus dem c-Ring und dem γ-Stiel sich zu drehen, während das gesamte übrige Molekül inklusive dem F₁-Teil mit dem α₃β₃-Hexamer fixiert ist. Sich durch die Rotation verändernde Wechselwirkungen zwischen der γ- und den 3 β-Untereinheiten sorgen dafür, dass die 3 katalytischen Zentren im F₁-Teil nacheinander Konformationsänderungen durchlaufen und ihre Affinität zu unterschiedlichen Substraten (ATP, ADP und P_i) wie auch ihre Funktion verändern. Dadurch wird von den katalytischen Zentren reihum ATP synthetisiert und freigesetzt.

Betrachtung der energetischen Verhältnisse: Bei einer Drehung des Rotors um 360° können im F₁-Teil genau 3 ATP-Moleküle synthetisiert werden. Die Frage ist nun, wie viele Protonen für eine Umdrehung notwendig sind. Da jedes Proton die Bewegung genau einer c-Untereinheit auslöst, hängt die Zahl der pro 360°-Drehung benötigten Protonen von der Zahl der c-Untereinheiten ab. Aktuell geht man bei Wirbeltieren von einem c-Ring aus 8 Untereinheiten aus, sodass für die Synthese eines ATP-Moleküls 2,7 (8:3) Protonen durch die ATP-Synthase strömen müssen; zur Vereinfachung nimmt man allerdings 3 Protonen an. Mehr zur Protonenausbeute in der Atmungskette findest du hier.